《电子技术应用》

超低电压能量收集器利用废热为无线传感器供电

摘要: 在替换或维护电池不方便或危险时,这显然是有好处的。由收集能量供电的传感器节点可以在楼宇自动化、无线/自动测量、前瞻性维护和其他很多工业、军事、汽车和消费类应用中使用。能量收集的好处是显而易见的,但是有效的能量收集系统需要智能电源管理电路,以将微量免费能量转换成无线传感器系统可使用的形式。

Abstract:

测量和控制所需的超低功率无线传感器" title="无线传感器">无线传感器用量的激增,再加上新型能量采集技术的运用,使得由局部环境能量而非电池供电的全自主型系统出现了。


在替换或维护电池不方便或危险时,这显然是有好处的。由收集能量供电的传感器节点" title="传感器节点">传感器节点可以在楼宇自动化、无线/自动测量、前瞻性维护和其他很多工业、军事、汽车和消费类应用中使用。能量收集" title="能量收集">能量收集的好处是显而易见的,但是有效的能量收集系统需要智能电源管理电路,以将微量免费能量转换成无线传感器系统可使用的形式。

归根结底是占空比问题
很多无线传感器系统消耗非常低的平均功率,从而成为由收集的能量供电的主要对象。因为传感器节点常常用来监视缓慢变化的物理量,所以可以不经常进行测量,也不需要经常发送测量数据,因此传感器节点是以非常低的占空比工作的。相应地,平均功率需求也很小。例如,如果一个传感器系统在工作时需要3.3V/30mA(100mW),但是每10s仅有10ms时间在工作,那么所需平均功率仅为0.1mW,假定在传送突发的间隔期间不工作时,传感器系统电流降至数μA。

电源管理:迄今为止在能量收集中仍然缺失的一环
仅消耗μW功率的微处理器和模拟传感器以及小型、低成本、低功率RF收发器得到了广泛采用。在实现实际的能量收集系统时,缺失的一环始终是可以靠一个或多个常见免费能源工作的电源转换器/电源管理构件。LTC3108能在输入电压低至20mV时启动,为热能收集补上了缺失的这一环。LTC3108采用3mm×4mm×0.75mm 12引脚DFN或16引脚SSOP封装,为用热电发生器(TEG),以低至1℃的温度差(ΔT)给无线传感器供电提供了一个紧凑、简单和高度集成的电源管理解决方案。


如图1所示,LTC3108用一个小的升压型变压器和一个内部MOSFET形成一个谐振振荡器。变压器的升压比为1:100时,该转换器能以低至20mV的输入电压启动。变压器的次级绕组向充电泵和整流器电路馈送电压,然后给该IC供电,并给输出电容器充电。2.2V LDO的输出设计成首先进入稳定状态,以尽快给微处理器供电;然后,给主输出电容器充电至由VS1和VS2引脚设定的电压(2.35V、3.3V、4.1V或5.0V),以给传感器、模拟电路或RF收发器供电。当无线传感器工作并发送数据因而出现低占空比负载脉冲时,VOUT存储电容器提供所需的突发能量,还提供一个开关输出(VOUT2),以给没有停机或休眠模式的电路供电。一旦VOUT进入稳定状态,那么所收集的电流就被导向VSTORE引脚,以给可选存储电容器或可再充电电池充电。如果能量收集电源是间歇性的,那么这个存储组件就可用来给系统供电。还有一个LTC3108-1版本的器件,除了提供一套不同的可选输出电压(2.5V、3.0V、3.7V或4.5V)以外,与LTC3108完全相同。

图1  LTC3108方框图

热电发生器的基本原理
热电发生器(TEG)其实就是逆向工作的热电冷却器(TEC)。热电发生器应用席贝克效应(Seebeck Effect),将设备(通过该设备产生热量流动) 上的温度差转换成电压。输出电压的幅度和极性取决于 TEG 上温度差的幅度和极性。如果 TEG的热端和冷端掉换过来,那么输出电压就改变极性。TEG可以用一个受温度影响的电压源模型加一个串联电阻(规定为AC电阻)来代表。


TEG的尺寸和电气规格多种多样。大多数模组都是方形的,每边的长度从10~50mm不等,标准厚度为2~5mm。它们的开路输出电压视尺寸不同而不同,范围为10~50mV/K。一般而言,对于给定的ΔT,较大的模组可提供较大的VOUT,但是有更高的AC阻抗和更低的热阻" title="热阻">热阻。就给定应用而言,所需要的TEG大小取决于可用的ΔT、负载需要的最大平均功率,以及用来冷却TEG一侧的散热器热阻。


为了从TEG抽取可获得的最大功率,转换器输入阻抗必须相对于TEG AC电阻提供合理的负载匹配。LTC3108转换器呈现约2.5Ω的输入阻抗,这刚好在大多数TEG AC电阻(0.5~7.5Ω)范围的中间。

需要考虑的热量问题
当在一个温暖的表面放置TEG以收集能量时,必须给TEG温度较低的一侧增加散热器,以允许热量传送到周围空气中。由于散热器的热阻,在TEG上呈现的ΔT将低于温暖表面和环境之间的温度差,因为TEG具有相对较低的热阻(典型情况下在1~20℃/W范围内)。


如图2所示的简单热模型,考虑如下例子,一个大型机器在周围环境温度为25℃、表面温度为35℃的情况下工作。将一个TEG连接到这台机器上,同时在TEG温度较低(环境温度)的一侧加上一个散热器。

图2 TEG和散热器简单的热模型


散热器和TEG的热阻确定了10℃总温差(ΔT)的哪一部分存在于TEG的两端。假定热源(RS)的热阻可忽略不计,如果TEG的热阻(RTEG)为4℃/W,散热器的热阻(RHS)也为4℃/W,那么落在TEG上的ΔT仅为5℃。


由于较大的TEG表面积增大了,所以大型TEG比小型TEG热阻低,因此需要较大的散热器。在受到尺寸或成本限制而必须使用相对较小的散热器的应用中,较小的TEG也许比大型TEG提供更多的输出功率。热阻不大于TEG热阻的散热器可最大限度地提高TEG上的温度差,因此能最大限度地提高电输出。

脉冲负载应用设计例子
由TEG供电的典型无线传感器应用如图3所示。在这个例子中,TEG上至少有4℃的温差可用,因此选择1:50的变压器升压比,以实现最高的输出功率。

图3 无线传感器应用例子


LTC3108提供一个典型的无线传感器所需的多个输出。2.2V LDO输出给微处理器供电,而VOUT利用VS1和VS2引脚设定到3.3V,以给RF发送器供电。开关VOUT(VOUT2)由微处理器控制,以仅在需要时给3.3V传感器供电。当VOUT达到稳定值的93%时,PGOOD输出向微处理器发出指示信号。为了在输入电压不存在时保持工作,在后台从VSTORE引脚给0.1F存储电容器充电。这个电容器可以充电至高达VAUX并联稳压器的5.25V钳位电压。如果失去输入电压源,那么就自动由存储电容器提供能量,以给该IC供电,并保持VLDO和VOUT的稳定。


根据以下公式确定COUT存储电容器的大小,以在10ms的持续时间内支持15mA的总负载脉冲,从而在负载脉冲期间允许VOUT有0.33V的下降。请注意,IPULSE包括VLDO和VOUT2以及VOUT上的负载,但充电电流未包括在内,因为与负载相比,它可能非常小。
 (1)
考虑到这些要求,COUT至少为454μF,因此选择了一个470μF的电容器。


采用所示TEG(以及大小合适的散热器),在ΔT为5K时工作,那么LTC3108在3.3V时提供的平均充电电流约为560μA。用这些数据,我们可以计算出,首次给VOUT存储电容器充电需要花多长时间,以及该电路能以多大频度发送脉冲。假定充电阶段VLDO和VOUT上的负载非常小,那么VOUT最初的充电时间为:
      (2)
假定发送脉冲之间的负载电流非常小,那么一种简单估计最大发送速率的方法是,用从LTC3108可获得的平均输出功率(在本例情况下为3.3V×560μA=1.85mW)除以脉冲期间所需功率 (在本例情况下为3.3V×15mA=49.5mW)。收集器可以支持的最大占空比为1.85mW/49.5mW=0.037或3.7%。因此最大脉冲发送速率为0.01/0.037=0.27s或约为3.7Hz。


请注意,如果平均负载电流(如发送速率所决定的那样)是收集器所能支持的最大电流,那么会没有剩余的收集能量给存储电容器充电。因此,在这个例子中,发送速率设定为2Hz,从而留出几乎一半的可用能量给存储电容器充电。VSTORE电容器提供的存储时间利用以下公式计算:
     (3)

图4 自动极性应用例子


上述计算包括LTC3108所需的6μA静态电流,而且假定发送脉冲之间的负载极小。一旦存储电容器达到满充电状态,它就能以2Hz的发送速率支持负载637s,或支持总共1274个发送脉冲。

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